結(jié)合MIL-STD-1316F探討子彈藥引信安全性設計中的若干問題*

秦棟澤,何光林

(1 中北大學機電工程學院, 太原 030051;2 先進制造技術(shù)山西省重點實驗室, 太原 030051; 3 北京理工大學機電學院, 北京 100081 )

0 引言

《引信安全性設計準則》(GJB373A-1997)被視為引信行業(yè)的首要標準,該準則等效參照了美軍“引信設計的安全性標準”(MIL-STD-1316C和MIL-STD-1316D),該標準的貫徹使我國引信的安全性顯著提高。當前,美軍最新的“引信設計的安全性標準”MIL-STD-1316F(下文簡稱1316F)在2017年8月發(fā)布[1]。該標準與MIL-STD-1316E[2]發(fā)布間隔時間長達18年(以往更新版本的間隔周期是7年),1316F體現(xiàn)了美軍近年來對引信安全性的最新理解和認識,值得借鑒。國內(nèi)等效采用1316F更新文獻[3] GJB373A—1997引信安全性設計準則(下文簡稱GJB373A)工作也已經(jīng)啟動。

由于子彈藥經(jīng)歷的彈道環(huán)境與整體彈藥的彈道環(huán)境有差異,在設計中有其需要單獨注意的問題。1316F不惜筆墨對子彈藥引信專門提出了一些要求,這些要求在GJB373A中沒有。當前,國內(nèi)對1316F一些新提法的內(nèi)涵以及技術(shù)的實現(xiàn)方式進行研究的文獻不多。文獻[4-9]主要以解決未爆彈問題為出發(fā)點,對子彈藥引信設計中的“三自”、可靠性問題進行研究。文中主要結(jié)合1316F從安全性角度對子彈藥引信設計中的若干問題進行探討。

1 關(guān)于子彈藥引信安全系統(tǒng)冗余保險的設計問題

1316F中的5.7條,條目為“含有子彈藥的彈藥”,該條款要求,“對含有子彈藥的子母式彈藥, 應適用下列各項:1) 4.3 條所述的概率和條件應適用于子彈藥引信系統(tǒng)。2)系統(tǒng)危險性分析應證明4.3 條的要求得到滿足”。

1316F的4.3 條是關(guān)于引信安全失效率與安全失效的分析。1316F的5.7條要求子彈藥引信與整體彈藥引信的安全失效率要求相同。要達到安全失效率的要求,子彈藥引信需要設置受控于不同環(huán)境力的冗余保險。

1316F與此密切相關(guān)的還有4.2.4款,條目為“子彈藥解除隔離”。該條款要求,“引信系統(tǒng)應該設計成:所有子彈藥均不得僅僅因為在母彈發(fā)射前的可信意外事故導致的子彈藥從母彈中散落,而解除隔離”。

美軍MIL-STD-1316E,以及我國的GJB373A都沒有相應的這兩個條款。為了進一步理解該條款的內(nèi)涵和技術(shù)本質(zhì),下文結(jié)合一些典型子彈藥引信如美國傳統(tǒng)的M223子彈藥引信以及M85子彈藥引信進行探討。

圖1為M223子彈藥引信示意圖。作用原理:未裝入母彈前,子彈藥有一道手工保險,即圖1中的保險夾和銷。裝入母彈時手工拔掉該道保險,子彈藥裝入母彈后處于套裝狀態(tài),上一枚子彈藥藥型罩約束住下一枚子彈藥引信處于折疊狀態(tài)的穩(wěn)定帶、擊針及滑塊,使穩(wěn)定帶不能張開,與穩(wěn)定帶相連接的擊針不能上移。母彈開艙后,子彈藥分離,子彈藥利用穩(wěn)定帶實現(xiàn)飛行穩(wěn)定,在氣動環(huán)境作用下穩(wěn)定帶帶動擊針相對引信體微旋轉(zhuǎn)運動,解除對滑塊的約束,滑塊在彈簧和離心力作用下運動到位[10]。

為了便于描述及分析問題,將子彈藥套裝時,上一枚子彈藥藥型罩對下一枚子彈藥引信提供的這種保險稱為“嵌套保險”。該保險是擊針解除保險程序中的一個環(huán)節(jié),可以用來啟動一道保險的解除保險程序。公開近二十年的MIL-HDBK-145C認為該保險在嵌套狀態(tài)時同樣也限制了滑塊的運動,是一道獨立保險[10]。結(jié)合1316F的4.2.4款和4.2.2款(強調(diào)環(huán)境激勵水平)來看該觀點疑似不妥。4.2.4款專門強調(diào)在母彈發(fā)射前子彈藥從母彈中散落,說明出現(xiàn)這種事故的概率不低,不能忽視。從另一個側(cè)面說明嵌套保險利用的是在發(fā)射周期開始之前引信可能受到的環(huán)境激勵水平,這不符合1316F的4.2.2款要求。因此,嵌套保險可以用來啟動一道保險的解除保險程序,但不能作為一道獨立保險。筆者認為M223子彈藥引信不符合1316F的要求。

圖1 M223子彈藥引信示意圖

M223子彈藥引信應屬于雙重環(huán)境串聯(lián)保險,環(huán)境分別是:① 拋撒環(huán)境;②子彈藥飛行氣動環(huán)境——極阻尼力矩驅(qū)動擊針相對引信體微旋轉(zhuǎn)運動,解除對滑塊的約束。圖2為M223子彈藥引信保險裝置作用過程示意框圖。

圖2 M223子彈藥引信保險裝置作用過程的示意框圖

但是除嵌套保險外,子彈藥引信仍具有受控于不同環(huán)境力的冗余保險,那么這種設計是滿足美軍1316F的要求,如M85子彈藥引信。該引信由以色列IMI公司研制。被諸多國家所裝備,并在實戰(zhàn)中有過使用[11]。作用過程:子彈藥拋撒后在空氣動力作用下,子彈藥引信頂端的穩(wěn)定帶夾脫落,穩(wěn)定帶打開,子彈藥穩(wěn)定飛行;在離心力作用下,離心子克服離心彈簧的抗力解除了對滑塊的第一道保險;在穩(wěn)定帶拉力作用下?lián)翎樈獬龑瑝K的第二道保險,滑塊在離心力和彈簧的作用下運動到位,定位銷鎖定滑塊;在滑塊運動到位后,驅(qū)動自毀擊針戳擊延期管。如子彈藥未正常發(fā)火,則延期管延時15 s后點燃雷管,子彈藥自毀[11]。圖3為M85子彈藥引信結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 M85子彈藥引信結(jié)構(gòu)示意圖

M85子彈藥引信屬于三重環(huán)境并聯(lián)保險,環(huán)境分別是:① 拋撒環(huán)境；②子彈藥飛行氣動環(huán)境——穩(wěn)定帶通過擊針解除對滑塊的約束；③離心環(huán)境——離心子通過離心力解除對滑塊的約束。該引信的固有安全性比較高,但是該引信自毀機構(gòu)設計的并不出色,可靠性較低,限于篇幅此處不展開討論。圖4為M85子彈藥引信保險裝置作用過程的示意框圖。

圖4 M85子彈藥引信保險裝置作用過程的示意框圖

2 關(guān)于子彈藥自毀裝置的設計問題

為了降低未爆彈率,在子彈藥引信中增加自毀裝置已經(jīng)取得共識。1316F的5.5條 對“自毀”進行了解釋,釋義是“如果系統(tǒng)技術(shù)文件有要求,自毀裝置應該被包含。與相同彈藥配用沒有自毀裝置的引信相比,自毀裝置不能增加操作者的危害概率。自毀裝置的自毀作用應不能發(fā)生在發(fā)射前和達到安全分離距離或引信延遲解除隔離前?！盙JB373A對自毀的解釋是“引信根據(jù)系統(tǒng)要求的適應性,應考慮含有自毀特性并引爆彈藥。自毀不應發(fā)生在發(fā)射及完成延期解除保險之前。”

GJB373A與1316F的釋義有較大的區(qū)別,區(qū)別主要有兩點。第一點明確要求自毀裝置的增加不能給操作者帶來安全性問題。與相同彈藥配用沒有自毀裝置的引信相比,增加自毀裝置可能給操作者帶來安全性問題,主要體現(xiàn)在手榴彈引信上。對于子彈藥引信,由于安裝在母彈中,只要安全系統(tǒng)性能完善,是否設置自毀裝置對操作者的安全沒有影響。第二點強調(diào)自毀裝置的自毀作用不能發(fā)生在發(fā)射前和沒有達到安全分離距離或引信延遲解除隔離前。與GJB373A區(qū)別在于增加了自毀裝置解除保險不能發(fā)生在沒有達到安全分離距離前的描述。

下文重點針對第二點進行分析。首先,自毀裝置的自毀作用不能發(fā)生在發(fā)射前被啟動這一條比較容易理解,對于子彈藥引信的自毀裝置其作用應不能發(fā)生在發(fā)射前,即自毀裝置不能給勤務處理帶來安全性問題。其次,自毀裝置的自毀作用應不能在達到安全分離距離前。此處有一概念“安全分離距離”,指的是彈藥戰(zhàn)斗部距離發(fā)射點的安全距離,在該距離上萬一戰(zhàn)斗部爆炸,不會對發(fā)射點和裝備造成危害,因此它本質(zhì)上是取決于戰(zhàn)斗部的威力特性?！把舆t解除隔離距離或時間”是根據(jù)戰(zhàn)斗部的安全分離距離來決定的,即它必須大于安全分離距離,它是引信的性能特征,為的是保證發(fā)射安全性。1316F強調(diào)安全分離距離是為了將要求描述的更加清晰。對于子母式彈藥的“安全分離距離”是一般由母彈引信來保證的。同時在此處還強調(diào)自毀裝置的自毀作用應不能在引信延遲解除隔離前,那么對于子母式彈藥,雖然部分子彈藥引信設置有延遲解除隔離裝置,自毀裝置也是安裝在子彈藥引信中,但1316F在此處強調(diào)的引信延遲解除隔離,指的是母彈的引信。

一般而言,對于子彈藥引信是否需要設置延遲解除隔離裝置,主要取決于3個因素：一是一單發(fā)母彈中所裝子彈藥的數(shù)量,如果數(shù)量很多,為防止拋撒初始段子彈藥間的相互碰撞引起發(fā)火,往往設置延遲解除隔離裝置(子彈藥引信常將擊針作為安全系統(tǒng)的保險件)。二是在拋撒初始段子彈藥飛行姿態(tài)不穩(wěn)定,為避免發(fā)火控制系統(tǒng)受姿態(tài)振動而提前發(fā)火,設置延遲解除隔離裝置。這些均與“安全分離距離”無關(guān)。三是作戰(zhàn)系統(tǒng)對“安全分離距離”以外的安全性有要求,如作戰(zhàn)系統(tǒng)要求除對發(fā)生系統(tǒng)和人員以外還需要對編隊中的其它系統(tǒng)進行保護,以圖5所示的前后編隊直升機攻擊為例。后面直升機發(fā)射的火箭式子母彈可能就在前面直升機的附近開艙,為了保護鄰機,子彈藥引信需要設置延遲解除隔離裝置。

通過以上分析可見對于子彈藥自毀裝置,1316F的5.5條應該理解為:子彈藥自毀裝置的自毀作用應不能在母彈發(fā)射前和達到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前作用。當然對于設置了延遲解除隔離裝置的子彈藥引信,其自毀作用也要發(fā)生在延期解除隔離后。因為,自毀的主要目的是避免出現(xiàn)未爆彈,減少爆炸物處理的負擔和危險性。在延期解除隔離之前自毀,則造成子彈藥空爆,降低了子彈藥正常發(fā)火的可靠性,對于機載空中編隊,甚至可能造成對編隊內(nèi)其它飛機的誤傷。

圖5 前后編隊直升機攻擊示意圖

下文將結(jié)合M85子彈藥引信和M230SD子彈藥引信對子彈藥引信自毀裝置進行探討。通過前文介紹的M85子彈藥引信作用原理可見,其自毀裝置的啟動是在母彈發(fā)射后,在母彈引信延遲解除隔離之后,在子彈藥引信安全系統(tǒng)解除隔離后。該子彈藥引信自毀裝置的設計滿足1316F的5.5條要求。圖6為M85子彈藥引信自毀通道的作用示意框圖。

圖6 M85子彈藥引信自毀通道的作用過程示意框圖

M230子彈藥引信配用于直升機發(fā)射的火箭子母彈。M230SD是為了解決未爆彈問題,在M230子彈藥引信基礎上增加相對獨立的自毀裝置形成的方案。作用過程:母彈拋撒子彈藥后,子彈藥相互分離,儲備式鋰電池在拋撒環(huán)境的作用下被激活,定時自毀裝置啟動,利用穩(wěn)定裝置打開時的拉力切斷保險銷,滑塊在彈簧的作用下向外運動,在無返回力矩擒縱機構(gòu)控制下經(jīng)1.5 s延時,滑塊運動到位, 雷管與導爆管對正。若子彈藥未正常起爆,自毀延時時間到后自毀裝置輸出起爆控制信號,子彈藥自毀[10-12]。圖7為M230SD子彈藥引信示意圖。圖8為自毀通道作用示意框圖。

M230SD子彈藥引信自毀裝置與M85子彈藥引信自毀裝置在技術(shù)本質(zhì)上有兩個較大區(qū)別:

①出于提高自毀可靠性的目的,其啟動時機,是在子彈藥引信解除隔離前。

②由于戰(zhàn)術(shù)要求,該子彈藥具有延遲解除隔離裝置。

圖7 M230SD子彈藥引信示意圖

圖8 M230SD子彈藥引信自毀通道作用示意框圖

對于第一點區(qū)別,M230SD子彈藥的自毀裝置啟動時機雖然由拋撒環(huán)境驅(qū)動電池激活機構(gòu)控制,若要實現(xiàn)自毀作用,仍需要安全系統(tǒng)解除隔離,只要安全系統(tǒng)設計合理(此處暫不討論M230SD的安全與解除保險裝置本身是否滿足1316F),則自毀裝置不會帶來安全性問題,其自毀裝置的啟動時機也滿足1316F的5.5條。

對于第二點,由于M230SD子彈藥引信設置了延遲解除隔離裝置,自毀裝置的作用也是在子彈藥引信延遲解除隔離后。

綜上可見:子彈藥引信自毀裝置屬于其發(fā)火控制系統(tǒng)的一部分,盡管發(fā)火控制系統(tǒng)也有“保險裝置”,但它管的是“在何種條件下允許向起爆器輸出點火信號”,而不是“何種條件下解除隔離”。且一般子彈藥的自毀裝置與發(fā)火系統(tǒng)是共用爆炸序列的,因此要求子彈藥引信自毀的輸出點火信號一定發(fā)生在子彈藥引信解除隔離之后,但子彈藥引信自毀的啟動時機與子彈藥引信安全系統(tǒng)是否解除隔離無關(guān),雖然1316F只要求子彈藥引信自毀裝置作用不能在母彈發(fā)射前和達到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前。在設計中對于設置有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在延期解除隔離后,對于沒有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在安全系統(tǒng)解除隔離后。

3 結(jié)論

結(jié)合1316F對子彈藥引信設計中的幾個問題進行了探討。總的來看,1316F對子彈藥引信的要求有嚴有寬,嚴的是子彈藥嵌套保險不能作為冗余保險中的一道獨立保險,對于子彈藥引信自毀裝置的設計要求則相對寬松,不要求子彈藥引信自毀的啟動時機在子彈藥安全系統(tǒng)解除隔離后。

研究所得結(jié)論為:子彈藥引信需設置獨立環(huán)境的冗余保險,嵌套保險不能獨立作為冗余保險中的一道保險,但可以作為子彈藥引信用來啟動一道保險的解除保險程序。子彈藥引信的自毀裝置啟動時機與子彈藥引信安全系統(tǒng)是否解除隔離無關(guān),雖然1316F只要求子彈藥引信自毀裝置不在母彈發(fā)射前和達到安全分離距離或母彈引信延遲解除隔離前作用,但在設計中對于設置有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在延期解除隔離后,對于沒有延期解除隔離裝置的子彈藥引信,自毀作用應在安全系統(tǒng)解除隔離后。